（信号与信息处理专业论文）基于sopc技术的嵌入式掌纹识别系统设计与实现.pdf

中文摘要 中文摘要 可重用设计方法源于s o c ( s y s t e m o i l a c h i p 片上系统) 的设计人员对大规模 复杂芯片设计方法的总结和归纳，即使用以前设计完成且已经过验证的知识产权 核( i p 核) 构建系统芯片的设计方法，是一种有效的设计方法与先进的设计理念。 近年来，随着可编程器件技术的进步，可编程逻辑阵列f p g a 逻辑容量不断 提高而价格在不断的降低，在f p g a 上实现s o c 即s o p c 技术已成为了一种发展 趋势。s o p c ( s y s t e mo l lap r o g r a m m a b l ec h i p ) 是一种灵活、高效的s o c 解决方案。 首先它是片上系统( s o c ) ，由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次它是可 编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减，可扩充，可升级，并具有软硬件体系 可编程的功能。 本文将可重用设计方法与s o p c 技术相结合，将传统的停留在板级设计层面 的嵌入式系统硬件设计提升到基于可编程逻辑芯片上的系统级设计，在单片f p g a 上使用i p 复用技术集成了n i o si i 软核处理器、图像采集与处理i p 核、用户输 入输出人机接口、通讯模块接口等，实现了嵌入式掌纹识别系统。另外，通过对 升级与更改f p g a 硬件逻辑以及系统软件，可使系统平台支持二维条码扫描、r f i d 卡读写，门禁控制等功能，实现了软硬件体系的可重构与平台的可重用。 关键词：掌纹识别，n i o s ，f p g a ，s o p c ，可重用设计 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t ： n l ee l e c t r o n i c si n d u s t r yh a se n t e r e dt h ee g ao fm u l t i m i l l i o n - g a t ec h i p s n o ws o c d e s i g n e r su s e r c b s em e t h o d o l o g y , w h i c hi sb a s e do nr e u s i n ga n dd e s i g no fi n t e l l e c t u a l p r o p e r t y0 p ) t oi n c r e a s ee f f i c i e n c yo f c o m p l e xi cd e s i g n w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yo fp r o g r a m a b l el o g i cd e v i c e ，as i n g l ec h i p f p g ai sa v a i l a b l et oc o n t a i ns e v e r a lm i l l i o n st r a n s i s t o r s8 0i m p l e m e n ts o c ( s y s t e mo n c h i p ) o nf p g aw h i c hi sc a l l e ds o p c ( s y s t e mo np r o g r a m a b l ec h i p ) b e c o m e sa m d l l s t r yt r e n d s o p ci saf l e x i b l ea n de m d e n ts o cs o l u t i o n f i r s t l yi ti sas o c ，as i n g l e c h i pc o n t a i nt h em a i ns y s t e mf u n c t i o n s s e c o n d l y , s o p ci sap r o g r a m m a b l es y s t e m w h i c hh a st h ec h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sl o wc o s t , h i g hp e r f o r m a n c e , f l e x i b i l i t yi n d e s i g n i n g , e o n f l g u r a b l ef u n c t i o nm o d u l e s ，s o f t h a r d w a r er e c o n f l g u r a b l ea n ds oo i l u s et h er e v o l u t i o n a r ys o p ct e c h n o l o g ya n dg u i d e db yr e u s em e t h o d o l o g ya n d c o m b i n es o f t h a r d - w a r ec o o r d i n a t i o nd e s i g n i n gi d e a , t h i st h e s i sa t t e m p t st oc h a n g e st h e f o c u so fs y s t e md e s i g nf r o mt h eb o a r d - l e v e lt ot h ec h i p - l e v e l t h i st h e s i ss u c c e s s f u l l y i n t e g r a t e dn i o s i ic p u ，i m a g eo a p t u r ea n dp r o c e s si pc o r e , u s e ri n t e r f a c em o d u l ea n d c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c et oas i n g l ef p g ac h i pa n dr e a l i z eap a l mp r i n tr e c o g n i t i o n e m b e d d e ds y s t e mp l a t f o r m t h r o u g hu p d a t ef p g a1 0 9 i ca n ds y s t e ms o f t w a g o , t h i s p l a t f o r mc a r ls u p p o r tt w o - d i m e n s i o nc o d e , r f i dc a r da n ds e c u r i t yc o n t r o lf i m c t i o n s ， w h i c hp r o v et h ea d v a n t a g e so fs o p ct e c h n o l o g y s o f t h a r d w a r er e c o n f i g a r a b l ea n d p l a t f o r mr o u s e - a b l e k e y w o r d s ：s o le ，n i o s ，p a l mp r i n tr e c o g n i t i o n , f p g a , r e u s em e t h o d o l o g y 致谢 本论文的工作是在我的导师丁晓明教授的悉心指导下完成的，在研究生阶段 的学习中和生活中，丁老师都给予我最大的指导和关怀。丁老师知识渊博、经验 丰富、治学态度严谨、对待工作一丝不苟、对学生严格要求以及他那忘我的工作 精神都给我留下了深深的印象，是我以后人生道路上学习的榜样。丁老师对我的 学术方向深刻准确的把握，对我的个人发展无微不至的关怀，对我的错误的包容 与耐心，都令我印象深刻。在此衷心感谢三年来丁晓明老师对我的关心和指导。 实验室的裘正定教授及夫人胡师舜老师，从本科到研究生阶段，一直都在学 术上和生活上给予我巨大的帮助和照顾，对他们的感激之情，无以言表 在实验室工作及撰写论文期间，石黎、刘陆陆、罗斌、唐辉、李强、刘志、 张长喜、易吉灵等硕士与博士给我热情帮助，和我建立了深厚的友谊，在此向他 们表达我的感激之情。 另外也感谢我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业， 我所取得的任何一点微小的成绩，都是他们心血的结晶。 由于时间和能力所限，本论文还存在许多疏漏和不足之处，恳请各位专家、 学者、老师和同学给予批评指导。 绪论 1 1 可重用设计方法 第一章绪论 1 1 1s o c 与可重用设计方法 s o c 技术已经成为当今超大规模集成电路的发展趋势，成为2 l 世纪集成电路 技术的主流，为集成电路产业提供了前所未有的广阔市场和难得的发展机遇。 上个世纪7 0 年代以来，随着硅制造工艺和电子设计自动化( e d a ) 的飞速发 展，如今人类已经可以设计并制造出包含几亿个晶体管的超大规模集成电路( v e r y l a r g es c a l ei c ，v l s i ) ，集成在单个芯片上的功能在不断增加。从而使得以往由许 多芯片组成的电子系统集成在一个单片硅片成为可能，构成所谓的片上系统 ( s y s t e m - o n - c h i p ，s o c ) 或系统芯片。与普通的集成电路( i n t e g r a t e dc i r c u i t ，i c ) 相比，系统芯片不再是一种功能单一的单元电路，而是将信号采集、处理和输入 输出等完整的系统功能集成在一起，成为一个专用功能的电子系统芯片i l i 因此，当今电子系统设计已不再是利用各种通用集成电路实现板上系统 ( s y s t e m o n - b o a r d ，s o b ) ，即印刷电路板( p r i n t e x tc i r c u i tb o a r d ，p c b ) 级的设计 和调试，而是转向以专用集成电路( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ，a s i c ) 或大规模现场可编程门阵列( f i e l dp r o g r a r a m a b l eg a t ea r r a y ，f p g a ) 以及复杂 可编程逻辑器件( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，c p l d ) 为物理载体的系 统芯片设计，前者称为s o c ，后者称为可编程片上系统 ( s y s t e m - o n - p r o g r a m m a b l e - c h i p ，s o p c ) 1 2 1 随着芯片制造工艺的变化，芯片的设计方法也发生了巨大的改变。传统的自 上而下先写出所有模块的r t l 编码，再将这些模块集成到一个共同的顶层设计下， 最后再进行综合。这种方法对于复杂芯片的设计已经不再适用，也满足不了快速 变化的市场的需求。现在s o c 设计的焦点已经不再是某个新功能的设计和实现， 而是如何去评估验证和集成多个已存在的软硬件模块。从s o c 的设计和实践中， 人们认识到设计方法的革命就是要完成一个转变，以功能设计为基础的传统流程 转变为以功能组装为基础的全新流程。 北京交通大学硕士学位论文 i p 核是预先定义好功能，并且经过验证的、可重复利用的逻辑功能模块或宏 单元。现在复杂芯片设计中最常用的方法是采用可重用设计，就是使用知识产权 核( i n t e l l i g e n t p r o p e r t y c o l e ，i p c o r e ) 进行系统构建l ”。p 可以是继承以往的设计， 也可以从第三方得到或者自己开发。 从功能上分类，知识产权核包括：微处理器，数字信号处理器，总线结构， 外部设备，f o 通道，大容量内存等等。从结构分类，知识产权核包括：硬核( h a r d m a c r o ) ，固核( f i r m m a c r o ) 和软核( s o f t m a c r o ) 。硬核是一种以g d s i i ( g r a p h i c d e s i g n s y s t e mi i ，第二代版图设计系统) 文件形式进行集成的核，它是已经经过全部设计、 布局、布线的核；软核是一种以可综合的r t l ( r e g i s t e r t r a n s f e r l e v e l ，寄存器传 输级) 代码交付的核；固核介于硬核与软核之间，可以以r t l 或网表的形式提交， 或者是带有部分布局信息和物理设计信息的r t l 代码i 。 1 1 2 可重用设计方法的发展 可重用设计方法源于s o c 的设计人员对复杂芯片设计方法的总结和归纳，即 使用以前设计完成且已经过验证的知识产权核( i p 核) 构建系统的设计方法。在 不断的使用和总结过程中，这种设计方法已经推广到更多的设计层次上并被赋予 了更多的内涵，我们认为可以从四个层次或者是方法上定义可重用设计方法学。 一、可重构技术：指在设计的过程中构建可重用的物理平台，使得物理平台 满足一定的通用性，同时又具备可修改、可扩展的特性，用以满足不同的设计需 求。使得不同的设计工作可以使用相同的平台来完成，从而避免了对底层物理平 台设计工作的不断反复。 二、i p 设计与复用技术：主要是指在s o c 系统的设计阶段，推广和使用， 从而达到保护知识产权，同时提高设计效率，减少设计周期和投入的目的。 三、可重配置体系结构；其意义是指设计具备可重配置功能的系统结构，这 里的可重配置既可以是软件上的也可以是硬件上的。概括的说，可重配置系统结 构具备这样一种功能，它能够在现场即时对自身进行重新配置，改变自身的软件 结构或者硬件结构，或者两者都改变，并且具备改变这种软硬件结构并重新引导 系统自动恢复工作状态的能力或使已经在使用的系统增加自我更新换代的能力。 四、可预测性算法验证及可重用：即借助各种e d a 工具和现有的模型，构造 2 可复用的算法验证平台，同时这个平台不只是计算机上的仿真软件，而是与实际 环境相同或者相似的实际平台，在这样的平台上进行的算法验证是具体实施可预 测的，能对具体性能做出评估，不同于仿真软件上的模拟结果，这样的验证环境 能够对算法在实际运用过程中的资源消耗与性能做出准确的测试结果。 1 2s o p c 技术 1 2 1s o c 技术的特点 s o c 是电子信息集成系统i s ( i n t e g r a t e ds 3 s t e m ) 发展趋势下的必然产物。它 是将一个完整产品的各功能集成在一个芯片中，可以包括有c p u 、存储器、硬件 加速单元( a v 处理器、d s p 、浮点协处理器等) 、通用i o ( g p l 0 ) 、u a r t 接口 和模数混合电路( 放大器、比较器、a d 、d a 、射频电路、锁相环等) ，甚至延 伸到传感器、微机电和微光电单元。 s o c 以系统为中心、基于口核的多层次、高度复用，可实现软硬件的无缝结 合，极高的综合性。 图1 - 1 板级系统向s o c 片上系统转变 s o c 初衷很好，但现实中却缺乏好的解决方案。由于是基于a s i c 实现s o c 系统设计周期长、费用高昂、成功率不高而且产品不能修改显得系统的灵活性差， 往往使得学术科研机构、中小企业难以承受。 3 北京交通大学硕士学位论文 1 2 2 基于f p g a 的s o p c 技术的特点 近年来，随着可编程器件技术的进步，可编程逻辑阵列f p g a 的价格在不断 的降低，而逻辑容量达到了百万门级的水平，片内存储s r a m 容量越来越大，另 外高端器件集成了丰富的d s pb l o c k 、高速串行i o 等资源。所以在f p g a 上实现 s o c 即s o p c 技术成为了一种发展趋势。 s o p c ( s y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i p ) 是一种灵活、高效的s o c 解决方案。 它具有双重含义：首先它是片上系统( s o c ) ，由单个芯片完成整个系统的主要逻辑 功能；其次它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减，可扩充，可升级， 并具有软硬件在系统可编程的功能。s o p c 是p l d 和a s i c 技术融合的结果。与传 统的系统设计相比，s o p c 继承了s o c 的优点。此外，s o p c 将处理器、存储器、 f o 口等系统设计需要的功能模块集成到一个p l d 器件上，构建成一个可编程的片 上系统。 由于市场上有丰富的m 核资源可供灵活选择，用户可以构成各种不同的系统。 有些可编程器件内还可以包括部分可编程模拟电路。除了系统使用的资源外，可 编程器件内还具有足够的可编程逻辑资源，用于实现其它的附加逻辑。目前精度 较高的a s i c 产品制造价格仍然相当昂贵，而集成了硬核或软核c p u ，d s p 、存储 器、外围及可编程逻辑的s o p c 芯片在应用的灵活性和价格上有极大的优势。 从应用角度看，s o p c 与s o c 相比有自己的优点因为它是基于 p l d f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 实现的，可以随时下载以验证其功能， 灵活性高。对设计好的产品中，如果要对芯片中电路布局改动，或者增减功能只 需要重新下载，设计周期短，不是定制的，是可编程的。 s o p c 结合了s o c 和f p ( 认各自的优点，一般具备以下基本特征： 至少包含一个以上的嵌入式处理器i pc o r e 具有小容量片内高速r a m 资源 丰富的i pc o r c 资源可供灵活选择 足够的片上可编程逻辑资源 处理器调试接口和f p g a 编程接口共用或并存 可能包含部分可编程模拟电路 单芯片、低功耗、微封装 4 i p 集成 暖翟墨墨 f p g a | c o l 掣 巴竺! ! ! ! ! ! |， 争 圣k c 赢p u 岛s 三r a m例叫h d m a c o n 卜 固 l r jn = ： i 引 | l c d c o n fl 图1 2 板级系统向s o p c 片上系统转变 综上所述，这种基于p l d 可重构s o c 的设计技术不仅保持了s o c 以系统为 中心、基于i p 模块多层次、高度复用的特点。而且具有设计周期短、风险投资小和 设计成本低的优势此方案适合于系统的预研初期，投资小、风险小，可以快速 构建原型系统，加速产品上市，提高市场获益。其资源的重复使用性特别适合于 学校、科研部门的教学与培训；可以快速将新的i d e a 转化为现实，进行性能评估。 1 3 可重用设计方法与f p g a 设计的结合 过去使用e d a 来完成一般可编程逻辑芯片的组合逻辑的设计几乎没有成本， 但今天面对着挺进到深亚微米尺度下的半导体制造技术，要完成超过1 0 0 万个逻辑 门的a s i c 器件的n r e 设计成本将急剧上升。比如犯一个需要更换新掩膜的错误。 将会轻易付出2 5 至1 0 0 万美金的代价。而如果采用专用标准器件( a p p l i c a t i o n s p e c i f i cs t a n d a r dp r o d u c t ，a s s p ) 产品，虽然设计制作成本低和大批量的优势使其 应用广泛，但由于缺乏必要的知识产权保护和特定应用的限制，而使其仅在较短的 时间周期内有一定的竞争力。 采用f p g a 器件正是回避了a s i c 和a s s p 这两者不可更改性的主要缺陷，并 针对工程设计的可重构性和口资源的可重用性而使得系统设计师选择f p g a 达到 降低系统研发成本和增加产品的生存寿命的目的。当在提高和验证原型产品之后， 表明设计稳定、性能可靠并有大批量的需求，可将f p g a 的设计移植到a s i c 芯片 上来大大减少投资风险。 北京交通大学硕士学位论文 对于使用f p g a 的用户来说，如何顺畅地采用可重用设计方法，实际上要按 照应用的三个不同层次，逐步认识所使用的可重用设计模式。 模式一：从f p g a 本身的可编程特性，实现系统设计的可重构和可配置的灵 活应用。 实际上这是f p g a 技术的在系统设计中的最基本应用：所谓电路的可重用 性。 系统设计中的硬件结构可变性称为可定制性( c u s t o m i z e d ) ； 系统设计完成后，即使已成产品后仍能随开发者甚至用户的要求随时进行硬 件结构的重构，这称为可重配置性( r e c o n f i g u r a b l e ) 。 模式二：f p g a 是由大量逻辑宏单元构成的，通过配置可以使这些逻辑宏单元 形成不同的硬件结构，从而构成不同的电子系统，完成不同的功能。正是f p g a 的这种硬件重构的灵活性，使得设计者能在f p g a 设计中依赖越来越规范的m 核 资源，即利用- i p 核的可重用性。f p g a 的可重用资源库( 处理器、协处理器 和外设口核等构成) 成为设计的关键。 模式三：在f p g a 中加入c p u 核，通过升级软件和必要时修改f p g a 电路逻辑， 实现软硬件体系可配置，使得不同的设计工作可以使用相同的平台来完成，即平 台的可重用性。 模式四：越来越多的e d a 设计工具正在使算法模型和软件代码转换成硬件的 这一过程自动化。正是利用可靠的综合工具，使f p g a 的开发开始支持更高级别的 抽象设计，使得f p g a 设计可以直接应用算法级仿真结果，完成模型设计到硬件实 现的一体化设计。这就是目前可重用设计的最高层次，即利用算法模型的可 重用性。 借助f p g a 硬件结构的可重构性与口资源复用技术，使得基于f p g a 和口软 核的嵌入式系统设计达到了以下目标： ( 1 ) 加快产品的上市时间。 ( 2 ) 建立有竞争性的优势。维持一个基于通用硬件平台的产品竞争优势是 非常困难的，但依赖口的灵活配置和专用算法的口核，从而在竞争中占有优势。 ( 3 ) 延长了产品生存时问。基于f p g a 和i p 软核的独特优势就是它的软硬 件可升级性。即使产品已交付用户，通过网络可实现远端产品升级，可以不断 6 绪论 有新特性添加到硬件中。 ( 4 ) 简化了对硬件设计的修复和对错误的排除；避免口软核的过时导致的用 户硬件成本增加，用户可以在硬件不变的条件下使用新的口软核；避免可编程逻 辑器件过时导致的设计人员开发成本增减，设计人员移植到新系列的可编程逻辑 器件中，从而保护了对应用软件的开发。 ( 5 ) 在产品产量增加的情况下减少成本。 1 4 论文的任务和所要达到的目标 本论文的主要任务是应用可重用的方法设计和s o p c 技术在f p g a 上实现一嵌 入式的掌纹识别片上系统。 此系统在单片a l t e r af p g a 使用i p 资源复用技术集成了n i o si i 软核处理 器、图像采集与处理i p 核、用户输入输出人机接口、通讯模块接口，最终实现用 户掌纹信息的快速与准确的录入与识别 另外借助f p g a 硬件结构的可重构性扩展了系统的应用范围，通过增加串口 控制器连接二维条码扫描枪与r f i d 智能卡识读器，能完成对存储在二位条码与智 能卡上的用户掌纹特征进行实时读取。 最后，从平台的可重用性角度来说，本论文要求所设计的平台可以满足一般 图像与视频处理系统的需求，为实验室的其它图像与视频项目提供支持。 7 北京交通大学硕士学位论文 图卜3 系统实物图( 左边为二维条码枪，r f i d 卡) 1 5 论文的工作重点与创新性工作 本论文的工作重点是使用f p g a 搭建一个s o p c 的嵌入式系统平台，具体工作 包括板极的原理图与p c b 设计以及芯片级的图像采集与处理逻辑模块i p 核设计和 n i o s 软核c p u 以及外设控制器等i p 核的复用集成，使得系统软硬件可以协同的工 作与运行。 创新性工作： l 、以基于n i o s i i 的嵌入式掌纹识别系统设计为例，详细阐述并归纳出基于 f p g a 和i p 软核的嵌入式系统设计所采用的可重用设计方法。 2 根据可重用i p 核设计规范设计了标准a v a l o n 总线接口的图像采集l p 核。 3 通过对掌纹处理算法分析，对一些耗费c p u 资源与时间的算法进行硬件 化，设计了直方图均衡的图像处理m 核，图像滤波由硬件乘除法器实现。 4 相比于传统单纯的软件图像处理系统或硬件图像处理芯片系统，本系统软 件与硬件紧密结合协同工作，在灵活性扩展性与性能成本间取得比较好的平衡。 5 本系统在设计时考虑了平台的复用性，具备了软硬件可修改、可扩展、可 重配置的特性，可以满足一般图像与视频处理系统的要求。该平台除了满足掌纹 门禁系统、生物特征智能卡认证系统和嵌入二维条码的个人证书防伪系统的需求 之外，实验室的事故现场处理系统以及数字水印识别系统均在本平台上得以实现。 1 6 论文章节结构 针对上面叙述的工作内容，论文的结构分为以下九个章节： 第一章：绪论，可重用设计方法与s o p c 技术介绍，以及论文的工作和章节。 第二章：基于n i o s i i 软核处理器的嵌入式系统设计，介绍n i o s i i 处理器以 及基于n i o s i i 处理器的嵌入式系统设计流程。 第三章：掌纹识别技术背景，阐述了掌纹识别技术的优势、算法流程、以及 系统模型。 。 第四章：基于n i o s i i 软核技术的掌纹识别系统的构架及设计，详细讨论了系 统的功能、模块的划分、工作流程、软硬件实现，完成了系统级的设计 第五章：板级硬件设计与调试，介绍了主要芯片与接口，p c b 设计以及最小系 统的实现与调试。 第六章：图像采集i p 核的设计，总结了可复用i p 核的设计方法，然后根据 此规范阐述了图像采集i p 核的设计与调试。 第七章：预处理算法分析及硬件实现i p 核设计，分析了掌纹预处理算法，对 算法软硬件实现进行划分，讨论了直方图采集i p 核的设计与调试。 第八章：系统集成及实验，介绍了系统所用i p 核的集成，f p g a 逻辑和软件的 下载，最后给出了掌纹识别实验的结果。 第九章：总结与展望。总结了论文工作以及针对系统的不足提出了将来改进 的方向。 9 北京交通大学硕士学位论文 第二章基于n i o s i i 软核处理器的嵌 入式系统设计 2 1 嵌入式系统 2 1 1 嵌入式系统概况p l 嵌入式系统是以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、 可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统的开发设计 都有其特殊的应用场合与特定功能。嵌入性、专用性与计算机系统是嵌入式系统 的三个基本要素。嵌入性是指将计算机系统嵌入到对象系统中，必须满足对象系 统的环境要求。专用性是指最大限度地在针对应用场合定制硬件和软件以提高效 率。计算机系统是指嵌入式系统必须是能满足对象系统控制要求的计算机系统。 与上两个特点相呼应，这样的计算机必须配置有与对象系统相适应的接口电路。 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，传统的嵌入式处理器包括微处理器 ( m i c r o p r o c e s s o r ，m p u ) 、微控制器( m i c r o c o n t r o l l e r ，m c u ) 与数字信号处理 器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) 。 随着硬件性能的提高，系统的软件规模不断扩大，实时多任务操作系统 ( r e a l t i m e - o p e r a t i n g - s y s t e m ，r t o s ) 成为嵌入式操作系统的主流。要求操作 系统的实时性高，能够运行在各种不同类型的微处理器上，具有高度的模块化和 扩展性。同时，操作系统必须具备文件和目录管理、设备管理、多任务、网络、 图形用户界面等功能，并提供大量的应用程序接口，从而使得应用软件的开发变 得更加简单。 2 1 2 嵌入式系统实现方式 相对于通用计算机系统的单一的实现方式，嵌入式系统的专用性使嵌入式系 统具备多种实现方式。按照不同的硬件结构的分类，目前嵌入式系统实现方式有 以下四种。 1 基于c p u ( c e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t ) 的嵌入式系统 1 0 基于n i o s h 软核处理器的嵌入式系统设计 嵌入式系统起源于微型计算机，基于c p u 的嵌入式系统以微型计算的中央处 理器为核心，是嵌入式系统最早的实现形式。基于c p u 的嵌入式系统是将微型计 算机嵌入到一个对象体系中，实现对象体系的智能化控制，将微型计算机经电气 加固、机械加固，并配置各种外围接口电路并构成专用系统。 当今的微型计算机系统主要是以c i s c ( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 技 术的x 8 6 系列c p u 为核心，因此绝大多数基于c p u 的嵌入式系统也采用x 8 6 系列 c p u ，主要应用于单板机和工控机，而不是手持设备。由于目前大量的基于x 8 6 的应用程序和调试工具，如果需要重复利用已开发的应用程序代码或其它操作系 统选择方面的原因采用这一结构，那么采用传统的x 8 6 处理器和芯片组还是具有 一定优势。硬件设计人员专注于芯片组的选择和主板的设计，不属于可重用设计 的范畴。 2 基于s o c 的嵌入式系统 s o c 概念的提出源于e d a 工具的推广和v l s i 设计的普及化，及半导体工艺 的迅速发展。s o c 产生的效果是使系统具备更高的集成度，更小的体积，更低的 功耗，更加可靠，这正与嵌入式系统要实现的目标相互吻合。因此，s o c 与嵌入 式系统从来就是相互影响，相互促进，共同发展的。 从m 复用的角度看，s o c 是以不同模型的电路集成、不同工艺的集成作为支 持基础的。所以要实现基于s o c 的嵌入式系统，首先必须重点研究器件结构与设 计技术、v l s i 设计技术、工艺兼容技术、信号处理技术和测试与封装技术等，这 是基于s o c 的嵌入式系统设计的重要方面，即s o c 系统芯片本身的设计和构建， 可重用设计方法正是从s o c 系统芯片设计总结出来的一套科学的复杂芯片设计理 念另一方面是s o c 的应用技术，对现有的s o c 针对特定的功能要求进行工程开 发的技术。 当前基于s o c 的嵌入式系统主要是指s o c 的应用技术，那么s o c 的选型就成 为实现整个系统的关键一环。可选择的s o c 主要有以r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns o t c o m p u t e r ) 技术的基于a r m 核( a d v a n t a g e dr i s cm a c h i n e ) 为的微处理器；以 t ic 5 0 0 0 和t i c 6 0 0 0 为代表的数字信号处理器；以p i c 核为代表的微控制器。 以s o c 为核心的嵌入式系统最大特点是不但能集成嵌入式处理器和专用智能 算法等数字电路，还能集成传感器、模拟信号处理电路、a d 与d a 电路等模拟 北京交通大学硕士学位论文 和混合电路。然而，对于一般的科研院所来说，设计s o c 系统芯片所需要积累的 技术太多，资金投入太高。同时，科研院所专注于其科研领域的算法研究，并不 擅长芯片设计。因此基于s o c 的嵌入式系统设计大多只能停留在s o c 的应用层面， 硬件设计人员虽然设计的是基于s o c 的嵌入式系统，但完成的工作往往只是s o c 的板级设计工作，这也就脱离了可重用设计方法的范畴。 3 基于s o p c 的嵌入式系统 s o p c 的概念首先由a l l e r a 公司于2 0 0 0 年提出，是基于f p g a 或c p l d 的 解决方案的s o c 。其它可编程逻辑厂商也分别提出各自的解决方案。本文中s o p c 概念是广义的表示其物理载体是f p g a 或c p l d 的s o c ，而不局限于单一厂商提 出的概念。与s o c 概念的产生相似，c p l d 和f p g a 的性能、规模、结构、工艺 和功耗的重大进步，使生产单片集成度超过数百万门的大规模f p g a 成为可能， 其i o 也达到上千的端口。基于s o p c 的嵌入式系统计其开发技术具有更多特色， 构成s o p c 的方案也有如下途径： ( 1 ) 基于i p 硬核的s o p c 嵌入式系统 2 1 在f p g a 中预先植入嵌入式系统处理器。s o c 虽然集成度高，但是物理载体 是a s i c ，所以其灵活性比较低。如果需要新功能就必须重新设计s o c ，带来巨大 的n r e ( n o n - r e c u r r i n g - e n g i n e e r i n g ) 费用。如果将嵌入式处理器的口核以硬核 的方式植入f p g a 中，利用f p g a 中的可编程逻辑资源，直接利用f p g a 中的逻 辑宏单元来构成嵌入式处理器的接口功能模块，就能很好的解决这些问题。对此， a l t e r a 和x i l i n x 都相继推出了各自的带a r m 与p o w c r p c 硬核处理器的解决 方案。 基于口硬核的嵌入式系统一般应用于电信、航空和军事等高端领域应用。它 使硬件设计人员不再只关注板极设计，还需要利用f p g a 的逻辑资源进行适当的 口核设计或i p 核集成以发挥其特性。 ( 2 ) 基于口软核的s o p c 嵌入式系统1 2 i 将口硬核直接植入f p g a 的解决方案虽然有其特色与优势，但是也存在不足 之处，其最大的不足之处在于只能在特定的f p g a 植入嵌入式硬核处理器，无法 裁减处理器硬件资源以降低成本，而且由于m 核的授权费用导致特定的f p g a 的 价格相对偏高，不利于在民用领域的广泛应用。 1 2 基于n i o s i i 软核处理器的嵌入式系统设计 如果利用嵌入式软核处理器来设计s o p c 系统，那么就能解决上面的问题，达 到集成度和灵活性，性能与面积的平衡。a l t e r a 和x i l i n x 也分别推出了各自 的解决方案。基于m 软核的s o p c 嵌入式系统实现了真正的软件、硬件可裁剪， 设计人员可以针对不同应用定制自己的系统，只要在f p g a 的容量范围内，完全 可以按照系统需求选择软核处理器和外设的种类，数量，完全超越了传统处理器 给设计带来的界限。基于口软核的嵌入式系统适用于多种系列的f p g a ：同理， 一款主流f p g a 可以支持多种不同类型的嵌入式软核处理器。f p g a 物理上的硬件 可重用性使更改s o p c 系统设计时不需要支付n r e 费用，可重用设计方法对基于 f p g a 的嵌入式系统具有更大的指导意义。 让基于m 软核的s o p c 嵌入式系统更加具有竞争力的是它不仅可以使设计人 员按照系统需要定制和集成可重用口核，它还支持专用智能算法的m 核设计，从 而为嵌入式软核处理器添加针对不同应用的硬件加速器，在单片f p g a 内构成嵌 入式系统。换言之，对于一般的科研院所来说，以往基于s o c 的嵌入式系统设计 只能停留在板级设计和应用层的局面将彻底打破，科研院所的设计人员完全可以 将具备独创性和领先性的算法设计成可重用口核，并集成为基于m 软核的s o p c 系统。因此硬件设计人员将专注于和可重用i p 核复用和m 核设计本文将重点阐 述基于i p 软核的s o p c 嵌入式设计方法 2 2n i o s i i 处理器与s o p c 设计流程 从口核复用层面而言，嵌入式软核处理器是一个功能复杂，参数众多的可配 置大型口软核，其性能与设计人员对参数的配置有关，也与作为物理载体的可编 程逻辑器件种类有关。从处理器层面而言，嵌入式软核处理器是一种高度可定制 的嵌入式处理器，包括流水线，指令集，指令和数据缓冲，外设种类和数量等处 理器内部组件都可以根据不同的应用场合按照设计人员的配置而改变。可编程逻 辑厂商a l t e r a 和x i l i n x 为了最大限度的进入嵌入式系统领域，分别推出了各 自的嵌入式软核处理器及相应的开发调试工具。本节将以a l t e r a 公司的n i o si i 软核处理器为代表讨论嵌入式软核处理器。 北京交通大学硕士学位论文 2 2 1n i o s 嵌入式软核处理器 n i o si i 是基于r i s c 技术的嵌入式软核处理器，特别为可编程逻辑进行优化， 是a l t e r a 公司s o p c 解决方案中的重要部分。n i o s i i 处理器包括快速型 ( n i o s i i ，f ) 、标准型( n i o s l i s ) 和经济性( n i o s i i e ) 三种类型的内核，其具体特 性如表2 - 1 所示： 种类特性 3 2 位指令集和数据宽度 内部结构3 2 个通用寄存器和外部中断源 2 gb y t e 寻址空间( 3 2 位地址线，低2 g b y t e 地 址空间连接c a c h e ，高2 gb y t e 地址空间桥接c a c h e ) 片内调试基于边界扫描测试j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o n g r o u p ) 的逻辑测试、支持硬件断点、数据触发以及 片内或片外调试跟踪 定制指令最多达2 5 6 个用户自定义指令 表2 1 ：n i o s 嵌入式软核处理器的特性 n i o s l i 的优势在于以下几方面1 5 1 ； ( 1 ) 实现对嵌入式处理器灵活的配置。n i o s i i 的三种内核可以使设计人员在 不同应用场合下找到性能和面积的平衡点。 ( 2 ) 大量支持的外设、存储器和接口n i o s l i 处理器支持的外设种类和数量 可以根据设计人员需要设置，例如d m a ( d i r e c t m e m o r y a c c e s s ) 通道的数量完全 按需设置和处理器相连。 ( 3 ) 不同的调试级别。j t a g 运行控制模块，嵌入式逻辑分析仪等工具为软、 硬件设计人员提供不同的调试等级，而在调试通过后可以从系统中去掉调试模块 以节省逻辑资源。 设计人员通常需要选择一个比实际所需的性能要高得处理器，从而为设计保 留余地，但这意味着更高的成本。基于n i o s i i 的系统性能是可以根据性能裁剪的。 n i o s l i 可以通过下列方法来提升系统性能1 5 1 ( 1 ) 快速型内核。快速型n i o s i i f 内核具备6 级流水线，动态分支预测，性 能达到1 1 6d m i p s m i - i z 。设计人员还可以通过增加数据，指令缓冲和片内存储器 t 4 基于n i o s i i 软核处理器的嵌入式系统设计 来获得更高的性能。 ( 2 ) 高性能f p g a 。n i o s l i 是一个复杂的碑软核，其性能与物理载体f p g a 紧密联系。以n i o s l i 的硬件乘法器为例，设计人员可以选择用软件模拟方式进行 乘法运算，也可以选择使用n i o s l i 内置的硬件乘法器来加速乘法运算。在c y c l o n e 器件上，硬件乘法器进行3 2 x 3 2 的整数乘法需要3 个时钟周期；利用c y c i o n c l i 器 件内置1 8 x 1 8 硬件模块，硬件乘法器进行相同的运算需要2 个时钟周期；而利用 s t r a t i x s t r a t i x l i 器件内置d s p 硬件模块，硬件乘法器进行相同的运算需要1 个时钟 周期； ( 3 ) 多核处理器系统。设计人员不仅可以选择快速型n i o s l l f 内核，还可以 在系统中集成多个处理器来提升系统性能，而且不必重新设计电路板，更没有增 加成本。 ( 4 ) 自定义指令。用户可以定制最多5 1 2 个自定义指令，是处理复杂算术逻 辑和逻辑运算的最佳途径。从m 核复用的角度看，设计人员需要选择或自行设计 针对专用算法的口核，并通过自定义指令的接口标准和n i o s i i 内核集成。 ( 5 ) 自定义外设。通过将专用的硬件加速器添加到f p g a 中作为n i o s i i 处理 器的协处理器，这样系统就可以并发的处理大量数据。同样，设计人员需要选择 或自行设计针专用算法的口核，通过片内a v a l o n 总线或n i o s i i 的f o 和n i o s l i 内 核集成。 2 2 2a v a l o n 总线h a l 库和自定义指令 1 a v a l o n 总线 基于n i o s i l 的嵌入式系统所有外设都是通过a v a l o n 总线与n i o s l i 相连接的。 a v a l o n 总线是一种协议简单的片内总线。a v a l o n 总线接口分为主端和从端两类。 主端接口具备总线控制权，从端接口一般是被动的。传输模式有单一数据传输， 数据块传输和流传输。总线信号主要有地址、数据、控制、请求和应答等信号 a v a l o n 总线的最大特点在于采用从端仲裁机制，该机制为构建多核系统带来极大 的便利。在此介绍a v a l o n 总线的原因在于以下三点： ( 1 ) 片内总线是板极嵌入式系统涉及不到的领域，而对于基于m 软核的s o p c 嵌入式系统的设计人员来说，片内总线又是十分重要的。它直接关系了口核的集 北京交通大学硕士学位论文 成，珥核接口的连接和m 核设计等重要设计过程。 ( 2 ) a v a l o n 的仲裁机制在构建多核处理器系统或多主端系统时需要特殊考 虑，虽然a v a l o n 总线的仲裁机制有开发工具自动生成，设计人员不必自行设计， 但为了构建更加合理的系统结构，对片内总线必须有一定的了解。 ( 3 ) 自行设计球